2014 년도 한국철도학회 추계학술대회 논문집 KSR2014A092

철도차량용 무선전력전송시스템의

지상 권선 방식에 따른 특성 비교 연구

A study on the characteristics of the ground winding methods

of wireless power transfer system for railway transit

정신명*†, 박찬배*, 이병송*, 김재희*, 이승환*,

이준호*, 이수길*, 백제훈*, 이경표*, 이원준**

Shin-Myung Jung*†, Chan-Bae Park*, Byung-Song Lee*, Jae-Hee Kim*, Seung-Hwan Lee*,

Jun-Ho Lee*, Su-Gil Lee*, Jeihoon Baek*, Kyung-Pyo Yi*, Won-Jun Lee**

Abstract Recently, wireless power transfer (WPT) technology has been applied to the home appliances such as mobile phones, electric toothbrush, LED TVs, and lightings, and even electric vehicles (EV) and railway transit. This paper presents the various ground winding methods of WPT for railway transit, and theoretical analysis of those methods. The single-phase ground winding method which has a simple structure and low-cost, and three-phase ground winding method which has high power density are introduced and the comparative analysis of the secondary pick-up induced voltages, rail induced voltages, and economic feasibility are conducted to draw the optimal WPT models for railway transit. Keywords : Wireless power transfer, inductive power transfer, single-phase, three-phase 초 록 최근 무선전력전송기술이 휴대폰, 전동칫솔 등의 생활 가전제품에의 적용을 넘어 전기자동차, 전기버스와 같은 교통수단, 그리고 더 큰 용량을 필요로 하는 철도차량에까지 그 적용이 확대되고 있다. 본 논문에서는 그 중에서 철도차량에 적합한 무선전력전송시스템의 지상 권선 방식을 소개하고 그 특성을 비교분석 하였다. 구조가 간단하고 경제성이 뛰어난 단상 권선 방식과 단상과 같은 전류에서 더 큰 전력을 보낼 수 있는 삼상 권선 방식을 소개하고, 2차 측에서의 출력전압, 레일에 유기되는 유기기전력 특성, 경제성 등의 분석도 수행하였다. 시뮬레이션을 통해 각 방식의 특성을 살펴보고, 그 결과를 통해 픽업 구조의 최적화 설계에 활용하여 철도차량에 보다 적합한 무선전력전송시스템 모델을 도출할 수 있을 것으로 기대된다.

주요어 : 무선전력전송, 무선충전, 단상, 삼상

1. 서 론

무선전력전송(Wireless Power Transfer, WPT)기술은 안전성, 편리성 등의 이유로 기존의 접촉식

에너지 공급 방식을 대체하여 휴대폰, 전동 칫솔, TV, 전등 등의 가전제품에의 적용이 활발히

진행되고 있다. 더욱이 최근에는 전기자동차 및 전기버스와 같은 교통수단에도 적용이 진행되

† 교신저자: 한국철도기술연구원 고속철도연구본부(caesarju@krri.re.kr)

* 한국철도기술연구원 고속철도연구본부

** 한양대학교 전기공학과

(a) (b)

Fig. 1 Wireless power transfer (WPT) techniques for railway transit. (a) WPT system for wireless TRAM (180kW/60kHz). (b) WPT

system for HEMU-430X (1MW/60kHz).

고 있으며 [1-4], 나아가서는 철도차량에까지 그 적용을 눈 앞에 두고 있다 [5]. 철도차량에서의

무선전력전송 시스템은 기존의 접촉식 가공 전차선 방식을 벗어나 전차선과 관련한 시설물들

을 제거하여 유지보수 비용 절감이 가능하고, 접촉방식이 아니므로 단선 및 전기접촉 등에 의

한 위험성이 없는 새롭고 친환경적인 개념의 에너지 전송시스템으로 주목 받고 있다. 한국철도

기술연구원에서는 지난 2013년 6월에 무가선 트램에 180kW급을, 그리고 2014년 5월에는 차세

대 고속열차인 HEMU-430X에 1MW급의 무선전력전송 시스템을 적용하여 시험운행에 성공하

였다. Fig. 1은 당시 무가선 트램과 HEMU-430X에 적용된 무선전력전송 시스템이다.

무선급전시스템은 철도차량이 레일을 따라 움직이는 상황에서도 지속적으로 전력이 공급되어

야 하기 때문에 지상에 설치되는 급전 선로를 레일과 평행한 방향으로 길게 구성해 주어야 한

다. 그에 따라 지상 선로 설치 비용 증가, 손실 증가로 인한 효율 감소 등의 문제점이 발생하

기 때문에 이를 고려하여 철도차량에 맞는 최적의 시스템 설계가 필요하다 [6]. 따라서 본 논

문에서는 지상 권선 방식에 따른 그 특성들을 분석하고, 이를 토대로 차량에 설치되는 2차 측

픽업 구조의 최적화 설계를 유도하여 철도차량에 보다 적합한 무선전력전송시스템 모델을 도

출할 수 있을 것으로 기대된다.

2. 본 론

2.1 단상 및 삼상 지상 권선 방식

일반적으로 무선전력전송 시스템에 사용되는 지상 권선 방식은 단상을 이용하는 방식이다.

움직이는 차량의 진행 방향과 평행하게 지상 코일을 설치하는 단상 권선 방식은 최소 길이의

급전 선로를 사용하기 때문에 전선 값을 크게 줄일 수 있는 장점을 갖는다. 하지만, 이러한

경제성 부분에서 유리한 이점이 있는 반면에, 지상 권선에 흐르는 전류에 의한 자기장 형성이

레일 밖으로까지 영향을 미치기 때문에 EMI, 레일 유기전압 등의 문제점을 갖는다. 따라서,

EMI 및 레일 유기전압에 미치는 영향을 최소화 하기 위한 다양한 접근 방식들이 지속적으로

연구되고 있다 [7].

그에 반해, 삼상 지상 권선 방식은 지상에 설치되는 급전 선로가 단상에 비해 6배 정도 더

필요하여 경제성 부분에서 큰 단점을 갖는다. 하지만, 단상과 같은 전류에서 더 큰 전력을

보낼 수 있고, 레일 밖으로 자기장이 형성되지 않기 때문에 EMI 및 레일 유기전압의 문제가

원천적으로 없다. 본 장에서는 단상 및 삼상 지상 권선 방식에 따른 특성들을 보다 자세히

살펴보도록 한다.

2.2 단상 지상 권선 방식

앞서 단상 지상 권선 방식의 특성들을 간단히 살펴보았다. 단상 권선 방식은 경제적인

면에서 큰 장점을 갖지만, 삼상에 비해 같은 전류에서 전력 송신이 낮은 문제가 있다. 이를

극복하기 위해 지상 권선에 코어를 추가하여 자기장을 더 집중시켜 더 많은 전력을 보내도록

하는 방법이 일반적이다. Fig. 2는 일반적인 단상 지상 권선 방식을 나타내고 있으며, E-

타입(a)과 U-타입(b) 코어를 사용한 방식을 표시하였다. 또한, 픽업 모듈의 사양은 비교의

편의를 위해 Table 1과 같으며, 단상 및 삼상 방식에 모두 동일하게 적용하였다.

(a) (b)

Fig. 2 Single-phase ground winding method for WPT. (a) E-type Core. (b) U-type Core.

(a) (b)

Fig. 3 Magnetic flux density distributions. (a) E-type Core. (b) U-type Core.

Table 1 Specifications for the WPT model

Contents Value

Output power per module 300 kW

Resonant frequency 60 kHz

Pick-up module size 725 * 270 * 87 mm

Air-gap 80 mm

Magnetomotive force of ground coil 490 * 1 Aturns

Pick-up turns 200 (4ch) turns

2.2.1 E-타입 지상 코어

Fig. 2a는 지상 권선에 E-타입 코어를 사용한 무선전력전송시스템을 나타내고 있으며, 지난

2013년에 무가선 트램에 적용된 모델이다. 코어 사용으로 인한 비용을 최소화하기 위해 E-타입

코어 중간중간 빈 곳을 두어 코어 사용을 줄이면서 성능은 향상되도록 하였다. Fig. 3a는 무부하

상태에서 자속 분포를 보여주고 있으며, 코어의 사용으로 자속 분포가 방사하지 않고 2차 측

픽업으로 유도되는 것을 볼 수 있다. Fig. 4의 실선은 무부하 상태에서의 2차 측 유기전압 및

레일에 유기되는 전압으로 각각 9.82kVrms와 13.85Vrms를 나타내고 있다.

2.2.2 U-타입 지상 코어

Fig. 2b는 U-타입 코어를 사용한 무선전력전송시스템이며, 지난 2014년에 고속철도 차량인

HEMU-430X에 적용된 모델이다. U-타입 코어 사이의 거리는 20cm이며, E-타입에 비해 코어 사

용을 크게 줄여 비용 감소가 크다. Fig. 3b는 무부하 상태에서 자속 분포를 보여주고 있으며, Fig.

4의 점선은 무부하 상태에서 2차 측 유기전압과 레일에 유기되는 전압으로 각각 7.62kVrms와

15.75Vrms이다. U-타입 코어 방식이 E-타입 코어 방식에 비해 2차 측 픽업 출력전압이 약 23%정

도 감소하였으며, 레일 유기 전압은 13% 정도 증가하였다.

2.3 삼상 권선 방식

기본적으로 삼상 지상 권선 방식은 분포권 방식을 적용하였으며, 픽업의 구조를 달리하여 그

특성을 분석하였다. 픽업 구조를 단순화하여 제작의 용이성 및 비용을 최소화할 수 있는 판

형상을 적용하였으며, 그 구조는 Fig. 5와 같다.

2.3.1 I-타입 픽업 코어

Fig. 5a는 I-타입의 픽업 코어를 사용한 삼상 권선 방식을 나타낸다. 삼상 권선 방식은 그 구

조적 특징으로 인하여 레일과 평행한 방향으로 이동 자계를 형성하는데, I-타입 픽업 코어 구조

는 이렇게 형성되는 자계에 반응하는 구조이다. Fig. 6a는 무부하 상태에서의 자속 분포를 나타

(a) (b)

Fig. 4 Induced voltages under no-load condition for single-phase ground winding methods. (a) Pick-up output voltage. (b) Rail

induced voltages.

내며, Fig. 7의 실선은 각각 2차 측 유기 전압 및 레일에 유기되는 전압으로 4.17kVrms와 0.74Vrms

를 나타낸다. 단상 권선 방식에 비해 2차 측에 유기되는 출력전압이 60% 가까이 감소하는데,

이는 삼상 권선 방식에서는 지상에 코어를 사용하지 않기 때문이다. 반면, 레일에 유기되는 전

압은 95% 가까이 감소한 것을 확인할 수 있다.

2.3.2 변형된 E-타입 픽업 코어

Fig. 5b는 단상 권선 방식과 같이 각 권선에서 지면과 수직으로 생성되는 자기장에 반응하는

삼상 권선 방식 모델이다. 픽업 코어의 구조도 E-타입과 유사한 변형된 형태를 취하고 있다.

Fig. 6b는 부무하 상태에서의 자속 분포를 나타내고 있으며, Fig. 7의 점선은 2차 측 유기 전압

(a) (b)

Fig. 5 Three-phase ground winding method for WPT. (a) I-type Pick-up Core. (b) Modified E-type Pick-up Core.

(a) (b)

Fig. 6 Magnetic flux density distributions. (a) I-type Pick-up Core. (b) Modified E-type Pick-up Core.

(a) (b)

Fig. 7 Induced voltages under no-load condition for three-phase ground winding methods. (a) Pick-up output voltage. (b) Rail

induced voltages.

및 레일에 유기되는 전압을 나타내는 것으로 각각 5.25kVrms와 0.66Vrms으로, I-타입 픽업 코어

방식과 유사한 결과를 얻을 수 있다.

2.4 각 방식 별 특성 비교

Fig. 8은 단상 및 삼상 권선 방식에 따른 무부하 상태에서의 2차 측 출력전압의 비교를 보여

준다. 단상 방식이 삼상 방식에 비해 비교적 높은 출력전압을 나타내고 있으며, 이는 삼상의

경우 지상 코일에 코어를 전혀 사용하지 않았고, 또한 픽업의 구조도 단순하게 구성하였기 때

문이다. Fig. 9는 각 방식 별 픽업 코어의 부피 및 출력밀도를 나타낸다. 삼상 방식의 경우 픽업

의 단순화로 부피가 50% 가까이 줄었으며, 그에 따라 출력밀도가 큰 것을 확인할 수 있다. 따

라서, 삼상 방식의 2차 측 출력전압은 픽업 코어 및 권선 수를 증가시키고, 최적화를 통해 단

상 방식과 어느 정도 비슷한 수준까지 향상시킬 수 있을 것으로 판단된다.

Fig. 10은 레일에 유기되는 유기전압을 보여준다. 레일에 큰 유기전압이 가해진다면, 차량이

나 궤도 회로에 악영향을 끼칠 수 있기 때문에 레일 유기전압을 최소화시켜야 한다. 이런 면에

Fig. 8 Induced voltages on pick-up module under no-load condition.

Fig. 9 Volumes of pick-up module and its power density based on single and three-phase ground winding methods.

서 삼상 방식은 단상 방식에 비해 무시할 수 있을 정도로 작은 값을 보이는데, 이는 구조적으

로 지상 권선에 의해 생기는 자기장이 레일 밖으로 생성되지 않게끔 각 상이 서로 상쇄되기

때문이다.

3. 결 론

본 논문에서는 철도차량용 무선급전시스템의 지상 권선 방식에 따른 특성들을 살펴보았다.

단상 권선 방식의 경우 지상 코일을 최소로 사용할 수 있으나, 많은 수의 지상 코어를 사용

하여야 하는 문제가 있다. U-타입의 코어를 사용한 방식은 E-타입에 비해 코어 수를 줄이면

서 성능도 어느 정도 확보할 수 있었으나, 단상 방식은 구조적으로 자기장이 레일 밖에까지

퍼져나가기 때문에 레일에 비교적 큰 유기전압이 발생하고, 또한 주변 전자장비에 악영향을

줄 수 있다. 그에 반해, 삼상 방식은 지상 코일을 6배 많이 사용해야 하나, 지상 코어를 전

혀 사용하지 않고, 또한 전력 밀도가 높은 특징을 갖는다. 더하여, 삼상 방식의 구조적인 이

점으로 인해 각 상에서 레일 밖으로 발생하는 자기장이 서로 상쇄되어 레일에 유기되는 전

압이 거의 없고, 그에 따라 주변 전자장비에 주는 영향이 적다. 본 논문을 통하여 각 방식

별 특징들을 살펴보았고, 그 결과를 통해 철도차량을 위한 무선전력전송시스템의 구조 설계

에 활용하여 보다 최적화 된 모델을 도출할 수 있을 것으로 기대한다.

참고문헌

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Fig. 10 Rail induced voltages based on single and three-phase ground winding methods.

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